基于PSCAD／EMTDC雙饋風電場匯集站實驗仿真平臺（I）：暫態特性分析

曹 娜，韓 楓，于 群

（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島 266590）

0 引言

我國很多高校都開設了新能源發電相關專業，其中與風力發電相關的課程是專業核心課。新能源發電專業的教學需要緊跟風力發電技術發展的腳步，開設相關實驗教學項目，將理論教學和實驗教學相結合，提高教學質量。

目前大部分地區的風電場采用雙繞組變壓器升壓后與系統相連。而在地域遼闊、風能資源豐富的地區，風電場是集群式建設模式［1］，風電場比較集中且數目較多。集群風電場并網時，一般多個風電場集中接入匯集站，采用三繞組變壓器進行升壓后并網［2-4］。

許多學者對雙饋風電場通過雙繞組變壓器升壓并網系統的動態特性及繼電保護進行了大量的研究，并取得了很多有益的成果。在文獻［5-6］中，研究了電網發生短路故障時，得出雙饋風電場短路電流發生頻率偏移的現象；文獻［7-8］中研究了電網短路時，風電場側短路電流頻率偏移特性，造成常規繼電保護裝置無法準確、可靠地提取差動電流中的二次諧波，可能造成保護元件閉鎖，影響保護裝置的正常工作。電網短路時，風電場匯集站的三繞組變壓器故障特性及其繼電保護研究較少。文獻［9］中針對集群風電場三繞組變壓器傳統保護的適應性做了研究，并通過調整保護整定值收到了不錯的保護效果，為傳統保護的適應性提供一種參考。

目前在風力發電技術的教學中欠缺相關實驗平臺，學生對風電場匯集站三繞組變壓器的動態特性、繼電保護設置及動作情況等相關知識感覺抽象，不能很好理解。利用PSCAD／EMTDC 軟件，以雙饋風電場經匯集站三繞組并網為例，搭建實驗仿真平臺。讓學生結合實驗，深入學習電網短路時雙饋機組短路電流與輸入風速的關系，學習雙饋機組短路電流特性對三繞組變壓器傳統繼電保護的影響。

本文首先分析電網發生短路時，不同風速下雙饋機組短路電流的特性；然后，分析三繞組變壓器短路時，機群風電場對匯集站三繞組變壓器短路電流的影響；最后，分析傳統變壓器保護在風電場匯集站三繞組變壓器的適應性。

1 電網短路時雙饋機組電流特性分析

1.1 電網短路時雙饋機組電流

雙饋機組通過一個背靠背的變換器為轉子提供轉差頻率勵磁電流，維持發電機頻率的恒定，實現變速、恒頻運行。雙饋機組正常工作時，轉子轉速變化范圍較大，一般維持在0.7～1.3（p.u.）之間。當電網發生短路故障時，雙饋機組采用低電壓穿越技術，轉子側變換器被短路，此時雙饋風電機組相當于普通的異步發電機。電網短路故障有對稱短路（三相短路）和不對稱短路（包括兩相短路、兩相接地短路和單相接地）。各種短路下，雙饋機組短路電流計算公式可參考文獻［10］。以電網發生三相短路為例，雙饋機組短路電流可近似表示為［10］：式中：A1、A2、A3為常數值（大小取決于發電機參數與電壓跌落水平），且A3≥A1；ω1為電網角頻率；ωr為轉子角頻率；φ 為初始相位；τr、τs分別為轉子回路和定子回路的時間常數。由式（1）可知，短路電流主要由穩態交流分量、衰減直流分量和衰減交流分量組成。在電壓出現深度跌落時，構成短路電流的主要成分是衰減的交流分量，式（1）可簡化為

其頻率的變化取決于角頻率ωr［11-13］；ωr與風電機組輸入風速有關。風電機組短路電流的頻率受短路故障前風電機組輸入風速的影響。

1.2 實驗仿真

下面以圖1 所示的雙饋風電場經雙繞組變壓器并入電力系統為例，在PSCAD／EMTDC 中搭建仿真模型，分析f1點發生短路時風電場的短路電流特性。

圖1 雙饋風電場經雙繞組變壓器升壓后接入電力系統的示意圖

圖1 中，雙饋風電場裝機容量為50 MVA，出口電壓為0.69 kV，通過升壓變壓器將電能輸送到110 kV電力系統；風電機組的參數見表1，變壓器T1和T2參數見文獻［14］；iW為風電場側短路電流；iR為電力系統側短路電流。等效風電機組的額定風速為11 m／s。假設在t＝10 s 時，f1處發生B、C 兩相短路故障。下面對故障前風機輸入風速分別為13 m／s（超同步狀態）、11 m／s（同步狀態）和9 m／s（亞同步狀態）進行仿真，得到風電場側和系統側的短路電流如圖2～4所示。

表1 雙饋式風電機組參數

由圖2～4 可見，在f1點發生短路時，風電場短路電流的頻率隨機組輸入風速的變化而變化。雙饋式感應發電機能在較寬的范圍內變速運行，因此，電網短路時風電場短路電流頻率在較寬的范圍內波動。

圖2 風速為13 m／s時風電場短路電流的波形及頻譜

圖3 風速為11 m／s時風電場短路電流的波形及頻譜

圖4 風速為9 m／s時風電場短路電流的波形及頻譜

2 風電場匯集站三繞組變壓器短路時電流特性分析

集群風電場通過三繞組變壓器升壓后接入220 kV電力系統的示意圖如圖5 所示。風電場1 接入變壓器35 kV側，風電場2 并入變壓器110 kV側。

圖5 集群風電場經匯集站升入220 kV電力系統示意圖

2.1 變壓器內部三相短路時電流分析

如圖5 所示，在變壓器內部f1處發生三相短路故障，i1、i2分別為風電場1 和風電場2 的短路電流，i3為系統側短路電流，它們分別表示為：

式中：λ1、λ2分別為頻率偏移系數；φ1、φ2、φ3分別為短路電流的初始相位。由式（5）～（7）可見，風電場1、2的短路電流發生頻率偏移，且隨著風機輸入風速的隨機變化而波動；系統側的短路電流沒有頻率偏移。

2.2 實驗仿真

在PSCAD／EMTDC 仿真平臺上，搭建圖5 系統仿真模型，如圖6 所示。所有雙饋風機型號相同，風電機組參數見表1。兩個風電場裝機容量均為50 MVA；變壓器型號為SFS-180000／220，額定變比為220／110／35；線路L為LGJ-185 的架空線，長度為50 km。

圖6 集群風電場經匯集站升壓后并入220 kV電力系統的仿真模型

在t＝10 s 時，f1處發生B、C 兩相短路故障。根據風速不同，分以下兩種情況進行仿真。

（1）故障前兩個風電場的輸入風速都為13 m／s，處于超同步狀態。仿真可得風電場1、2 和系統側的短路電流i1、i2和i3的波形和頻譜分析如圖7 所示。

圖7 風電場輸入風速為13 m／s時的短路電流和頻譜

由圖7 看出，變壓器內部故障時，兩個風電場的短路電流頻率發生偏移，均為60 Hz；系統側短路電流頻率為50 Hz。

（2）故障前風電場1 的輸入風速都為8 m／s，風電場2 的輸入風速都為9 m／s，處于亞同步狀態。仿真可得風電場1、2 和系統側的短路電流i1、i2和i3的波形和頻譜分析如圖8 所示。

圖8 兩個風電場輸入風速分別為8 m／s和9 m／s時的短路電流和頻譜

由圖8 可見，兩個風電場的短路電流發生頻率偏移，且偏移程度不同，風電場1 的頻率為40 Hz，風電場2 的頻率為42 Hz。系統側的短路電流頻率不變。

由以上分析可見，變壓器內短路時，各繞組連接的風電場短路電流的頻率與風速有關；三繞組變壓器中，任意兩側短路電流的頻率偏移之差隨風速變化而變化。

目前變壓器傳統的繼電保護采用工頻算法，基于工頻算法的傳統保護將可能無法正確完成采樣，可能導致傳統保護不能準確、可靠地動作，因此有必要對傳統變壓器保護在雙饋集群風電場中的適應性做進一步討論和研究。

3 匯集站中變壓器傳統保護的適應性

3.1 變壓器傳統保護原理

本文以常用的RCS-978 型變壓器成套保護裝置為例進行分析。保護裝置由3 部分構成［15］：比率制動的差動保護元件、勵磁涌流閉鎖元件和差動速斷元件。當變壓器發生短路故障時，保護裝置先通過差動速斷元件進行判別。若差動速斷元件不動作，則繼續通過比率差動元件和涌流判別元件進行判別。保護裝置的動作邏輯如圖9 所示。

圖9 差動保護配合示意圖

（1）比率差動保護。比率差動動作方程為：

式中：Id為差動電流；Ir為制動電流；Iact.min為最小動作電流；In為變壓器額定電流；Kbl是為比率制動系數。比率差動保護動作特性如圖10 所示。

圖10 比率差動保護動作特性

（2）涌流閉鎖保護。RCS-978 保護裝置利用電流中二次諧波的含量大小來辨別勵磁涌流。判別方程：

式中：I2nd為二次諧波電流；I1st為差動電流的基波電流；K2為二次諧波制動系數整定值，取0.15。當式（9）滿足時，則閉鎖該相比率差動元件。

（3）差動速斷保護。當涌流閉鎖保護時，采用差動速斷保護來及時切除變壓器嚴重的內部故障。為躲過外部短路電流或變壓器勵磁涌流，整定值通常為4～10 倍額定電流：

式中，K＝4。當判別式（10）滿足時，速斷元件動作，跳開變壓器各側斷路器。

3.2 主變壓器保護建模與適應性仿真

對匯集站三繞組主變壓器搭建RCS-978 系列保護模塊，如圖11 所示，按傳統電網繼電保護配置來整定，取Kbl＝0.5，Iact.min＝0.5In。

圖11 變壓器各保護元件模型

設故障前兩個雙饋風電場輸入風速13 m／s，運行在超同步狀態，圖6 中f1處發生兩相短路故障，傳統保護仿真特性如圖12 所示。

圖12 縱差保護動作特性

由圖12 可看出動作電流、制動電流因為疊加了非工頻分量不再是定值，出現大范圍波動且出現動作電流時而大于制動電流時而小于制動電流；由圖12（b）可知，有一部分動作曲線落入制動區可能導致保護拒動；由圖12（c）可知，由于二次諧波含量大大增加可能導致誤判，從而閉鎖差動保護。因此，變壓器傳統繼電保護已不適應雙饋風電場匯集站三繞組變壓器的保護。

4 結語

基于PSCAD／EMTDC 軟件搭建了的雙饋風電場匯集站實驗仿真平臺。通過實驗，讓學生直觀地學習電網故障時雙饋機組輸出電流的頻率偏移特性；同時，讓學生深切體會到變壓器傳統繼電保護不適用于雙饋風電場匯集站三繞組變壓器的保護，培養學生分析問題和解決問題的能力。后續文章將針對傳統三繞組變壓器保護無法滿足要求的問題提出合理對策，并進行試驗仿真。